1 发电机断路器的发展概况
自本世纪40年代初起，随着工业、制造水平的提高以及电力需求的不断增加，大容量发电机组的生产制造不仅成为可能，而且成为满足电力市场需求的要求。随着发电机单机容量的不断增大致使短路电流迅速提高，使普通的中压开关已无法满足开断能力的要求，同时为了提高安全可靠性，导致了离相封闭母线的迅速发展以及发电机、变压器单元接线的广泛采用。至60年代中期，为了简化电厂的运行操作，提高机组的可用率以及核电技术的需要，越来越多的专家认为采用发电机断路器是十分必要的。正是这种需要导致了BBC公司在1969年开发出第一台可在大型发电机机端直接操作的DR型空气断路器。该断路器为离相式全封闭结构，以压缩空气为灭弧介质，操动机构也采用压缩空气，额定电流达50000A，开断能力为250kA，其中额定电流为11000A以下的断路器采用自然风冷，11000～20000A采用强迫水循环风冷，20000～50000A则为水冷。从第一台DR型断路器投运至今，BBC/ABB共生产了大约600台投放市场，其故障率逐步缩小到0.5％左右，且渐趋稳定。操作故障率为20×10－6，相当于50000次操作出现一次故障，这一指标较高压断路器低20倍左右。1984年ABB推出了第一台HE型SF6发电机断路器，采用SF6气体作为灭弧介质，操动机构仍为气动。它利用SF6气体自灭弧(Selt－extinguishing)原理，由触头分开时产生的电弧来加热SF6气体，使其膨胀，形成熄弧所需的气体，同时电流流过固定触头内的线圈产生磁场，导致电弧旋转，以使对触头的烧伤减小至最低限度，而且相对独立的荷载触头与灭弧触头，保证了连续载流能力。1996年3月，ABB研制的HEC—8型发电机断路器通过了荷兰KEMA试验，该断路器额定电流可达24000A，开断能力达160kA，使得SF6断路器用于600MW发电机出口成为可能。由于SF6的采用使得整个断路器的结构更趋紧凑，故障率也更低，ABB公司1200台HE型(HEC和HEK)发电机断路器的故障率小于0.3％。现在发电机断路器已不仅仅是一台断路器，而是集成了电压互感器、电流互感器、隔离开关、接地开关等发电机与主变压器之间的设备，成为具有多种功能的组合电器。 来源:hvsi.cn
除了ABB公司之外，法国GEC—ALSTOM公司、日本三菱等公司也先后开发出了SF6发电机断路器。GEC—ALSTOM公司生产制造发电机的历史较长，虽然它也生产SF6发电机断路器，但它是以生产空气式发电机断路器见长。它生产的SF6发电机断路器发展较缓慢，而且容量也小。空气式发电机断路器的最大参数是：额定电压36kV，额定电流37500A，开断电流275kA。空气式发电机断路器是利用压缩空气作为绝缘介质和灭弧介质以及断路器的操作与冷却用气。虽然空气式发电机断路器是一种系列性强、通用性高的产品，但其外形尺寸大，占地多，价格昂贵，且还需另外设置压缩空气系统。日本三菱公司于1977年开始生产发电机断路器采用的绝缘介质是SF6气体，其最大开断电流为110kA，开断次数10次；开断额定电流42000A时的开断次数为50次。目前开断电流为125kA的发电机断路器正在制造中。
除了以SF6气体和空气作为绝缘介质的SF6发电机断路器和空气式发电机断路器外，80年代末90年代初又利用真空技术开发了真空型发电机断路器，这种发电机断路器是由德国西门子公司开发和生产。8BK40、8BK41系列即是西门子公司生产的真空型发电机断路器，其额定电压7.2～17.5kV，其中8BK40的额定电流5000A，最大开断电流为63kA；8BK41的额定电流4000～12000A，最大开断电流为80kA。真空型发电机断路器由于在开断水平上受到限制，开断电流大于63kA的真空断路器制造已非常困难，而且价格也较昂贵，所以目前真空型发电机断路器在小容量机组中使用较多，在大机组中的使用受到限制。
国内发电机断路器的发展水平相对来讲还比较低，目前只有沈阳高压开关厂一家生产发电机断路器，80年代，引进法国GEC—ALSTOM制造技术，开始研制PKG2型发电机断路器，该型断路器自1986年开始至1988年已在葛州坝水电厂投运了14台，总的运行情况尚好，但是该产品体积大、噪声大，维护工作量较大。具了解，葛州坝水电厂已将这14台断路器全部更换为ABB公司的SF6断路器。目前沈阳高压开关厂正在积极开发研制SF6发电机断路器。
由于发电机断路器的独特性，发电机断路器除需满足现有的开关制造标准如IEC56—1987(High－voltage altemating－current circuit－breakers)、IEEE/ANSI－C37.08—1987、IEC694—1980(Common clauses for high－voltage switch－gear and control－gear standards)、IEC298—1990(A.C.metal－enclosed switch－gear and control gear for rated voltages above 1kV and up to and including 52kV)以外，1993年IEEE还专门颁布了用于发电机断路器的制造标准：IEEE C37.013—1993(ANSI/IEEE Standard for AC high－voltage generator circuit breakers rated on a symmetrical current basis),从而规范了现代发电机断路器的制造、试验及安装标准。我国相继也颁布相应的行业标准和国家标准：DL427－92《户内型交流发电机断路器订货技术条件》、GB/T14824《发电机断路器通用技术标准》。
2 发电机断路器在发电厂中的应用
从1969年第一台发电机断路器诞生以来，发电机断路器在世界各国得到了广泛应用。根据CIGRE所做的调查资料表明，目前全世界有超过50％的核电厂与超过10％的火电厂采用了发电机断路器，特别是对厂用电系统可靠性要求较高的核电厂与大容量火力发电厂采用发电机断路器已成为一种趋势。在美国、英国、法国等发达国家中，其电力以核能、抽水蓄能电站为主，且机组容量较大，发电机出口均装设了断路器。在德国，新建设的容量大于259MVA的核电与容量大于588MVA的火力发电厂发电机也装设了发电机断路器。俄罗斯、芬兰等国的设计规范中明确规定火力发电厂中装设出口断路器。俄罗斯在其《火电设计技术规程》8.9条中规定：“单机容量为300MW及以上的每台发电机……在单元接线的所有情况下，在发电机与变压器之间均应装设断路器……”，因此在俄罗斯国内300MW及以上机组均装设了断路器或负荷开关。也正是由于这个原因，国内从俄罗斯引进的工程中，如：天津盘山电厂(2×500MW)、伊敏电厂(2×500MW)、辽宁绥中电厂(2×800MW)、辽宁营口电厂等均装设负荷开关。之所以采用负荷开关而不装设出口断路器，是因为俄罗斯仅生产敞开式空气断路器，无法使主回路封闭，降低了机组运行的可靠性。而负荷开关是封闭式的，可以通过外壳两端和封闭母线连接，使发电机主回路全部封闭，可避免发电机出口三相短路，提高机组的可靠性。我国的相关设计规程中也对采用发电机断路器的原则作了规定。《小型火力发电厂设计规范》GB50049－94中第12.1.6条规定，“发电机与双绕组变压器为单元连接时，对供热式机组，可在发电机与变压器之间装设断路器；对凝汽式机组，不宜装设断路器，发电机与三绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间，宜装设断路器和隔离开关。厂用分支线应接在变压器与断路器之间。”；《火力发电厂设计技术规程》DL500—94中第11.2.6条规定，“容量为125MW及以下的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不宜装设断路器；发电机与三绕组变压器或自耦变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间宜装设断路器和隔离开关，厂用分支线应接在变压器与断路器之间。容量为200～300MW的发电机与双绕组变压器为单元连接时，在发电机与变压器之间不应装设断路器、负荷开关或隔离开关。容量为600MW发电机，当升高电压仅有330kV及以上一级电压，且技术经济合理时，可装设发电机出口断路器或负荷开关。当2台发电机与1台变压器或2组发电机双绕组变压器组作扩大单元连接时，在发电机与变压器之间应装设断路器和隔离开关。”近年来，国内核电站、水电站以及新近建设的火力发电厂也广泛装设了发电机断路器。核电机组因其重要性，均在发电机出口装设断路器，如秦山、大亚湾核电站等。水电机组由于要调峰，起动频繁，因此也都装设发电机断路器，如最近建设的四川二滩、广西岩滩、青海李家峡、黄河小浪底、广东从化水电厂等。火电厂中，截止1998年3月底投产的14台600MW机组中，只有广东沙角C电厂的3台机组装设了发电机断路器，其它机组均未装设。但是，从目前正处于前期设计中的火力发电厂中，大部分机组都有发电机断路器的方案，如河南沁北电厂、湖北黄冈电厂等。由此看来，国内在发电厂中采用发电机断路器，特别是大容量以及安全性要求较高的机组中装设发电机断路器也渐成趋势。
3 发电机断路器的主要作用
发电厂装设发电机断路器的主要作用是在于简化运行操作程序，减小发电机和变压器的事故范围，简化同期操作、提高其可靠性，方便调试和维护。
3.1 简化厂用电切换/操作程序
目前，我国的300MW及以下机组和部分600MW机组火力发电厂中，均设有专用的启动/备用变压器，无论是机组的正常启动、停机，还是因厂用工作变压器故障、检修，都需要进行厂用电源切换。
在发电机正常起动时，首先通过启动/备用变压器获得启动电源，当发电机建立正常电压并带一定负荷后，在通过厂用电切换装置切换到厂用工作变压器供电；发电机的停机过程与之相反。因此，在不设发电机断路器的发电厂，其正常启、停机组不可避免的要进行厂用工作变压器与启动/备用变压器之间的关联切换。由于厂用工作变压器与启动/备用变压器的电源取自不同的系统，两台变压器的阻抗值也不相同，这就造成了两台变压器低压侧母线之间存在初始相位差。由于初始相位差的存在，使得在正常并联切换时，两台变压器之间将产生较大的环流。严重情况下环流可达数千安培，如此之大的环流，即使在并联切换时间内对变压器不造成损害，也会对变压器的寿命产生累积影响。这对变压器的安全运行构成了很大的威胁。
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